생명/의료

두 가지 종류의 단일세포 ChIP-seq 기술 개발로 세포운명 결정 메커니즘 규명

발행일 : 2019 / 10 / 10

베이징대학 분자의학연구소, 베이징대학-칭화대학 생명과학연합센터 허아이빈(何愛彬) 연구팀은 다양한 프로젝트 연구 요구, 발달 및 질환 상태에서 세포운명 결정 조절 메커니즘 해석에 적합한 두 가지 종류의 보편적이고 조작이 간단한 완전히 다른 풍격을 보유한 2개 종류의 단일세포 ChIP-seq 기술을 개발했다. 해당 성과는 “CoBATCH for high-throughput single-cell epigenomic profiling”라는 제목으로 “Molecular Cell” 및 “Profiling chromatin state by single-cell itChIP-seq”라는 제목으로 “Nature Cell Biology”에 게재됐다.

다세포생물은 동일한 게놈을 보유한 다양한 세포 유형으로 구성된다. 기관조직의 발달 과정에서 세포 상태 및 세포운명을 결정하는 메커니즘은 해당 분야의 관심사로 떠오르고 있다. 발달 과정 또는 질병 상태에서 후성유전학적 요인(DNA 서열을 변화시키지 않는 상황에서 유전자 발현 변화 또는 표현형을 유발할 수 있는 요인)은 세포운명의 결정에서 핵심 역할을 일으킨다. 세포 유형 및 기능 이질성은 흔히 유전자 발현 조절을 통해 구현된다. 현재 해당 연구는 주로 단일세포 전사체 수준에 집중되었으며 또한 단일세포 수준에서의 후성적 조절 메커니즘 해석도 매우 적다. 따라서 단일세포, 전체 게놈 범위에서 히스톤 수식 및 전사인자가 어떻게 세포계보(Cell lineage)의 발생, 운명 결정을 조절하는 지에 대한 연구가 부족하다.

염색질 면역침강(ChIP-seq)은 후성유전학적 조절을 연구하는 주요 기술 방법으로서 전체 게놈 범위에서 DNA-단백질의 상호작용을 포획할 수 있다. 하지만 실험 원리 및 기기 설비의 제한으로 ChIP-seq 기술이 단일세포 수준에서의 연구 및 응용은 제한되었으며 현재 보편적이고 조작이 간단한 고품질의 단일세포 ChIP-seq 기술이 결핍하다. 해당 기술 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 다양한 실험 전략을 이용하여 CoBATCH 및 sc-itChIP라고 부르는 두 가지 종류의 신형 단일세포 ChIP-seq 기술을 개발했다. CoBATCH는 융합단백질 PAT(Protein A-Tn5)를 이용해 항체와 결합된 특정 게놈 영역을 식별하고 절단할 수 있을 뿐만 아니라 조합 바코드 표지 단일세포 기술을 결합하여 고투과성 단일세포 포획을 달성할 수 있다. sc-itChIP는 Tn5를 이용해 게놈을 균일하게 절단한 후 면역침강을 통해 표적 게놈 단편을 축적할 수 있다. 연구팀은 CoBATCH 단일세포 기술을 이용해 최초로 생쥐 배아 10개 서로 다른 기관(심장, 간, 폐, 좌뇌, 우뇌, 후뇌, 신장, 피부, 근육 및 소장)의 내피세포계보 발육, 분화 및 기능 이질성을 해석했다. 또한 단일세포 itChIP 및 단일세포 전사체 데이터를 통해 심장 줄기세포가 심근 및 내피세포 방향으로 분화되는 과정에서 세포 유형 특이성 증폭자(Enhancer)가 세포운명 결정을 조절하는 메커니즘을 규명했다.

연구팀은 고투과성 샘플의 단일세포 ChIP-seq 기술-CoBATCH을 개발함과 아울러 itChIP 기술도 개발하여 초기량이 수십 개밖에 안 되는 단일세포 샘플 포획에 이용함으로써 희소성 세포 샘플(예를 들어 이식전 배아 등)의 후성적 조절 이질성 연구에 새 기술 방법을 제공했다. 해당 두 가지 종류의 단일세포 ChIP-seq는 세포운명 결정 등 가장 본질적인 발육 생물학적 문제 해결 및 복잡한 질병 발생 과정 해석에 강유력한 기술 방법을 제공할 전망이다.

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